无线通信网络的电力系统设备远程实时监控系统

刘光辉 朱婷婷 张慧娥

摘 要：为提高电力系统设备监测准确性和网络传输性能，设计了无线通信网络的电力系统设备远程实时监控系统。首先采用无线通信采集电力系统设备现场数据，监控终端将该数据传输到移动基站，然后通过服务器传输到以太网中，并把数据分别传输至监控工作站等模块，从而实现电力系统设备远程实时监控。经验证，该系统在网络通信方面具有传输成功率高、速度快、误码率低等优势，在监控效果方面具有监控结果准确，抗环境因素影响能力强等特点。

关键词：无线通信网络;電力系统;设备远程实时监控;GPRS;PMU

Abstract：In order to improve the monitoring accuracy and network transmission performance of power system equipment， a remote real-time monitoring system of power system equipment based on wireless communication network is designed. Wireless communication is used to collect the field data of power system equipment. The monitoring terminal transmits the data to the mobile base station， and the data is transmitted to the Ethernet through the server. The Ethernet transmits the data to the monitoring workstation and other modules to realize the remote real-time monitoring of power system equipment. It has been verified that the system has the advantages of high transmission success rate， high speed， and low bit error rate in network communication， accurate monitoring results and strong ability to resist the influence of environmental factors in terms of monitoring effect.

Key words：wireless communication network; electric power system; equipment remote; real-time monitoring; GPRS; PMU

近年来电力系统相关技术高速发展，大容量、高电压的电力系统构建已经不是研究难点，保障电力系统的安全运行已经成为目前相关研究的重点。电力系统一旦出现突发故障或者临时停电，将会给生活和生产带来巨大经济损失和物质影响，所以现阶段迫切需要一项技术能够实现电力系统设备远程实时监控[1]。在长期可持续发展战略下，电力系统相关应用对经济快速发展造成制约，加速优化电力系统提高电力系统设备的监控能力是目前研究的首要内容。电力系统配电变压器节点众多、地理覆盖范围广泛且电网线路极其复杂，电力能源从发电厂经变压器传输至输电线路，通过降压变压器被各个用电用户接受，在这一过程中有很多环节都需要远程实时监控系统对电力设备的各个节点实行监控[2，3]。在传输监控数据过程中如果使用有线通信方式将会给技术人员和硬件铺设人员带来巨大工作压力，所以针对电力设备监控系统的无线网络技术显得尤为重要。目前使用比较广泛的包含SDMS通信网通信平台等，但是受到数据传输方式的限制，系统运行时无法满足使用需求。以分组交互技术作为基础的GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）无线通信网络利用IP数据网络协议，实现高速传输、低速信令的效果，能够保证网络数据的高效通信[4-6]。

一般情况下电力系统实现远程监控都是使用远程终端测量单元，该单元获得的测量数据通常包括节点注入功率、电压幅值和支路潮流数据，但是在对于母线间相位差等关键数据的获取却较为困难。而向量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）可以完美解决这一问题。向量测量单元是一种检测精度较高的检测装置，将全球同步卫星定位系统作为辅助工具，解决同步数据的矛盾，能够实现正序测量电流和电压的相量，该单元已经在远程监控中得到初步的研究成果[7]。在监控系统的节点中配置向量测量单元能够实现全网络可观测，评估出电网运行的基本状态，且该单元成本较低，即使使用数量较大也不会造成经济负担。目前已有针对电力系统远程监控的研究中，有学者提出基于智能视觉物联网的变电站红外监测系统[8]，该系统利用红外技术能够对于电力设备中存在的发热异常实时报警，但是实际使用时成本过高，不适合推广使用;还有学者提出变电站直流电源远程监测系统[9]，该系统通过通信协议转换传输数据，实现电力设备的监测数据传输，但是该系统由于与客户端直接连接，工艺较复杂，还需要进一步完善。

将无线通信网络作为基础，设计电力系统设备远程实时监控系统，深入研究电力系统的检测维护情况。

1 基于无线通信网络的电力系统设备远程

实时监控系统

1.1 系统总体结构

电力系统设备远程实时监控系统包含GPRS网络、监控中心服务器和监控终端等组成，系统总体结构见图1。

GPRS监控终端利用PMU装置对现场数据采集，实现现场保护和控制;监控终端和监控中心之间的透明数据传输通过GPRS网络实现;监控中心主要负责对现场数据做出分析，发送控制指令，日常工作主要是维护数据库[10]。系统通过GPRS终端中的PMU装置采集现场电力设备的相关数据，将数据传输至移动基站后，经移动公司服务器接受，Internet为移动公司服务器提供网络支持，将数据传输至监控中心的以太网，Internet网络与以太网由通信服务器建立连接;监控中心接受以太网接收到的电力设备数据，经决策支持服务器、GIS系统服务器、数据库服务器以及监控工作站共同协作实现电力设备的实时远程监控。

GPRS监控终端的无线收发装置是GPRS无线模块，该模块主要实现监控终端与GPRS网络之间的连接。GPRS网络与GPRS无线模块连接成功之后经发送PDP（Packet Data Protocol，分组数据协议）上下文实现激活，通过GGSN（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持节点）对IP地址实现分配，构建系统与外部网络的连接，建立连接后才能实现数据的传输[11]。GPRS监控终端利用PMU装置采集电力系统设备的现场数据，依据应用层协议构建数据包向监控中心发送。与此同时监控终端也会对监控中心的控制指令与数据请求作出想用，监控中心与监控终端二者之间是透明穿行数据传输。具体传输过程如下：

（1）经串行接口GPRS模块从MCU（MCU microcontroller Unit，微控制单元）获取上传数据;

（2）按照GPRS分组数据形式把处理后数据向基站发送;

（3）SGSN（Serving GPRS Supporting Node，GPRS服務支持节点）封装分组数据相GPRS IP骨干网发送;

（4）假如分组数据是由另一个GPRS终端接受，那么需要先把分组数据发送到目的SGSN，再通过BSS（Basic Service Set，基本服务集）向GPRS终端发送。

1.2 系统硬件结构

系统的额硬件结构见图2。

GPRS监控端主要由GPRS通信模块、主控处理器、状态显示模块、智能监控仪表等模块组成。系统的核心是主控处理。LPC2106支持跟踪与实时仿真，是一个ARM7TDMI-S CPU，包含64KBSRAM、一个两线串行口、128KB的高速FLASH、与Modem接口信后相连的串行口。来自GPRS网络的指令由主控处理器解析，对485总线上过的智能仪表实现管理，监测现场整体状态。GPRS通信模块使用GR47无线模块，该模亏具备GSM/GPRS全套数据和语音功能，同时包含SMS和GPRS两种无线数据传输通道，集成CPU强大的功能同时面向客户把系统资源开放，内嵌TCP/IP协议栈。实际使用时用户能够合理配置GR47，实现监控服务器和LPC2106之间的透明穿行数据传输[12]。获取GPRS网络服务的关键部分是SIM卡，为保证GPRS远程终端能够正常运行，在使用前SIM卡需要开头GPRS服务。E2PROM实现用户数据保存，GPRS连接参数、服务器IP地址以及GPRS服务器时间常数都由E2PROM存储。仅需一次配置，即使重新启动LPC2106或者端点及终端复位都不会应GPRS连接参数[13]。LPC2106实现与上位机之间的通信需要通过调试接口，该接口能够完成代码的写入和提哦啊好似、设置LPC2106、分析485总线上传输的额数据，便于监控与调试系统运行情况。

1.3 PMU优化配置策略

在电力系统的节点上安装PMU装置能够对电力系统节点的相连支路电流、电压相量实现测量，获得设备监控测量量，也就是通过PMU装置实现安装节点和相邻节点的云行状况可监控。但是PMU可观测通道有限，由于制造商差异影响，观测通道数目也存在不同，研究可观测通道数目受限制的情况下PMU优化配置策略[14]。

假如在电力系统节点k上存在一个具有L个观测通道的PMU配置，节点k同时和Nk个节点相连接。假如有L≥Nk，那么节点k和全部关联个节点是可观的。反之则存在rk种PMU配置方式保证L个连接节点是可观的。式（1）为rk的定义：

2 系统性能测试

为验证系统性能，将某市变电站的真实电力系统设备相关数据作为研究对象，利用Matlab仿真软件开展仿真实验。该变电站建于2004年，2006年经过初步实验首次投入使用，为全市80%的居民和场所提供电力支持，所包含的电力系统设备分为发电设备和供电设备，其中发电设备为发电机、电站锅炉、变压器和蒸汽轮机;供电设备包括接触器、互感器和电压等级不同的输电线路。实验从两个方面开展，分别为无线通信网络的传输性能验证与监控输出的实时性与准确性。

为使实验结果形成对比，同时使用基于智能视觉物联网的变电站红外监测系统（简称为红外监测系统）和变电站直流电源远程监测系统（简称为直流电源监测系统）开展实验，这两个对比系统分别为参考文献[8]和参考文献[9]。

2.1 无线通信网络传输性能测试

对比三种系统在不同数据包数量情况下数据传输成功率情况。结果见图3。从图3能够看出，两种对比系统在传输数据过程中，随着数据包数量的增加，传输数据的成功率逐渐降低，其中直流电源监测系统的传输成功率降至60%以下，红外监测系统降至70%以下，而系统始终保持较高的传输成功率，且变化趋势较平稳，说明系统在实现网络数据传输方面具有良好的性能。

对比三种系统数据传输时的平均速率变化情况，结果见图4。从图4能够看出，系统无线通信网络传输速率明显高于两个对比系统，说明系统在数据传输时具有绝对优势，分析原因，主要是由于系统使用GPRS无线通信网络，提升数据传输的速度、准确性和效率，具有良好的系统性能。

在数据传输过程中，一旦发生严重时延，将影响用户的使用体验，开展多次实验，对比三种系统的数据传输时延，结果见图5。从图5中能够看出，系统的传输时延远低于两种对比系统，且数次实验统计来看，趋势变化较平缓，没有出现明显波动。两种对比系统趋势波动变化较大，且传输时延较高，其中直流电源监测系统的时延接近2s，用户使用时等待时间较长，会造成较差的用户体验感。

误码率是验证系统数据传输性能的关键指标，对比三种系统在不同数据包数量情况下误码率对比情况，结果见图6。从图6中能够看出，系统存在较低误码率，说明数据传输具有可靠性，与同类系统相比具有极大优势，满足监控系统在数据传输时的需求。

2.2 监控性能对比

在仿真平在使用三种系统开展电力系统设备的监控，同时与真实电力设备运行数据对比，验证三种系统的监测准确性，对比结果见图7。

由于电力系统设备均在室外环境中，因此系统在对电力系统设备实行监测时容易受到自然环境的影响，在仿真系统中模拟不同天气情况，分析三种系统的监测结果。

（a）阴雨天气环境下监测结果

（b）极端恶劣天气环境下监测结果

从图8中能够看出，在普通阴雨天气中，两种对比系统还能保证较良好的监测结果，但是在极端恶劣天气环境下，两种对比系统监测准确率均降至80%以下，而系统始终保持较好的监测准确率，即使在极端恶劣环境下仍旧能够保持90%以上的监测准确率，证明系统具有良好的监测性能。

3 结 论

以无线通信网络技术作为基础，使用PMU收集电力系统设备监测信息，通过GPRS移动通信网络传输监测信息，经监测中心实现电力系统设备的实时远程监控。系统由于使用GPRS移动通信网络，在监测信息的传输方面具有极高的性能和极高的优势，由于数据传输为系统打下良好基础，保证系统在监测方面具备更加良好的性能，同时，经仿真验证，系统即使在恶劣天气环境下仍旧具有良好的监测效果，与同类系统相比，具有极大优势，适合推广使用。

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